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大型地下式水电站主变冷却器控制柜散热问题分析及处理

2024-11-28 99 上传者：管理员

摘要：大型地下式水电站主变冷却器控制柜柜内高温发热可以引发冷却器故障，造成变压器油温升高，给变压器的运行带来隐患。在分析主变冷却器控制柜内温度高的主要原因基础上，针对性地采取增加冷却器控制柜散热通道、合理布置发热严重回路、元器件换型等措施，以达到散热的目的。实际应用表明这些措施有效性，可供同类水电站借鉴。

关键词：
冷却器系统
地下式水电站
强油循环水冷却
控制柜
清洁能源
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随着全国水电等清洁能源大力开发建设，在长江流域及西南诸河片区等建设了一批大型地下式水电站。大型地下式水电站主变压器多采用强油循环水冷却方式，该冷却系统安装于地下主变洞相对封闭的空间中。主变冷却器控制柜常采用单柜布置，柜内元器件布置紧密，汛期主变室温度较高，且控制柜密封，受到环境高温以及设备本身耗散的热量作用使得密封冷却器控制柜内部的温度超出设备允许范围柜内，最高温度可达40℃左右，冷却系统长时间在满负荷高温下运行，冷却器控制柜元器件发热导致设备故障时有发生，造成柜内电源控制回路及继电器发热严重降低元器件的性能以及寿命，这些高温发热问题可引发冷却器故障，造成变压器油温升高，进而导致设备故障[1-3],降低整个主变系统的稳定性甚至造成重大安全事故，给变压器的运行带来隐患，甚至造成变压器停运，影响电力供应。

近年来，国内外学者对水电站主变冷却器控制柜的散热问题进行了广泛研究。例如，通过优化控制柜通风结构，增加散热面积，可显著降低柜内温度；采用高效散热材料替换传统元器件，以提高散热效率[4-7]。这些研究为本文提供了宝贵的参考与借鉴。本文在总结前人研究的基础上，结合现场实际情况，提出了更为具体、有效的散热解决方案。

本文通过对现场测温数据的分析，发现主变冷却器控制柜内元器件发热的主要原因是环境温度高、电缆绝缘层及电缆线芯氧化发黑、油泵电源空开烧毁等。针对这些原因，提出了增加冷却器控制柜散热通道、合理布置发热严重回路、元器件换型等措施以达到散热目标的解决方案，通过研究改进措施来降低主变冷却器控制柜元器件因发热导致设备故障的概率，既可以节省大量人力物力成本，还可以提高设备运行的可靠性。

1、发热与高温成因分析

借助5M1E分析模型与头脑风暴法，本文全面剖析了控制柜环境温度高及造成元器件发热的所有因素，得出如图1所示的因果图。首先，明确分析的对象是控制柜环境温度高及元器件发热问题；针对本次分析对象确定5M1E模型包括：人为维护人员的技术水平、操作规范、维护保养情况等；机器为设备的设计、制造质量、运行状态等；材料为元器件的质量、材料特性等；方法为操作流程、维护保养流程等；测量为监测设备、监测温度、数据准确性等；环境为工作环境、气候条件、设备布局等。然后进一步分析可知主变冷却器控制柜元器件发热导致设备故障在人、方法和测量三方面基本不存在问题，因此确定人、方法和测量三方面原因为非相关因素予以排除。剔除非相关因素后，鱼骨图中还剩余环境、材料因素、机械因素等三方面10项二级分支原因。

图1 主变冷却器控制柜元器件发热因果图

通过对由现场使用测温仪器得到的主变冷却器控制柜元器件发热较高元器件的测温数据进行统计分析发现，汛期主变室环境温度较高，控制柜相对密封，柜内元器件主要发热部位在油泵电机回路，且相应回路有电缆绝缘层及电缆线芯氧化发黑，油泵电源空开烧毁等问题。可对应归入控制柜环境温度高的诱因为汛期主变室内环境温度高、控制柜内进风量不足、控制柜内出风量欠佳等；电缆绝缘层及电缆线芯氧化发黑的诱因为长期负荷电流大、施工工艺差、控制柜内温度高、有效截流面积偏小等；油泵电源空开烧毁故障的诱因为选型问题、长期负荷电流大、施工工艺差等，如图2所示。本文将紧紧围绕这三类问题的具体诱因展开研究分析，确定切实有效的解决方案。

2、解决方法与措施

考虑到元器件发热一般不会马上发生故障，但发热对元器件的使用寿命造成严重威胁，极易发生元器件烧损、电机回路故障，冷却器全停故障等风险，以至于迫使主变停运，造成发电量损失，此外，主变冷却器控制柜元器件发热导致设备故障成为每月缺陷分布的主要高发区域，因此，必须采取措施完全避免此类故障发生。

2.1 控制柜环境温度高

对电站所有主变冷却器控制柜内不同环境温度下油泵空开进行红外精准测温，绘制年度温度趋势图，发现油泵空开6～9月汛期运行平均温度保持在72℃左右。针对控制柜环境温度高，采取如下措施：

1)增大控制柜内进风量：

主变冷却器控制柜只在后门安装有进风百叶窗，但后门离墙的距离太近，柜内风循环不佳。将主变冷却器控制柜左、右两块侧面板拆下前测得环境温度为40℃,拆下后48 h测量柜内温度由40℃降低到32℃,油泵电机回路发热端子最高温度由80℃降低到60℃。通过在主变冷却器控制柜左、右侧面板开孔安装防尘百叶窗，有利于改善柜内风循环以达到设备散热效果。

图2 柜内元器件发热导致设备故障原因分析及确认

2)增大控制柜内出风量：

汛期主变室温度较高，控制柜密封，柜内最高温度可达40℃左右。为了满足主变冷却器控制系统的运行环境温度要求，在控制柜的顶部安装一组带防水罩的散热排风系统，每组由4台风扇和防水罩组成，经温度传感器控制风机的启停来降低柜内的环境温度且防护等级不降低。

2.2 电缆绝缘层及电缆线芯氧化发黑

绝缘层的老化发黑会导致其绝缘水平降低，若不及时处理，增加了油泵电机电源回路短路的风险，影响主变冷却器的正常运行。同时，长期异常发热还会影响电机油泵空开的使用寿命。采取的措施如下。

1)增大线芯截流面积。

油泵电机持续运行时电流较大，单台电机运行电流为11 A,线鼻子前期施工工艺差，部分油泵电源空开上下端线鼻子变黑、接线老化变硬。将控制柜内油泵电源空开上下端导线由2.5 mm2更换为4 mm2,以减少冷却器正常运行时油泵电源回路的发热量，且更换带预绝缘的线鼻子，改善施工工艺，确保线鼻子压接可靠。

经巡检发现控制柜内ATS双电源切换开关进、出电缆头存在发热问题。对电缆绝缘层、电缆线芯已氧化发黑的电缆进行更换，对ATS双电源切换开关进、出电缆线鼻全部重新压接，解决施工工艺问题引起截面缩水。原ATS出线端Ⅰ路与Ⅱ路出线电缆并接后再接入母排，易发生接触不良而引起发热，改为两路出线电缆分别接入母排。电缆温度有明显降低，从最高70℃降至40℃左右，达到了预期效果。

2)对控制柜内元器件进行重新规划、布置。

油泵电机电源回路中，油泵电机空开下端温度比上端要高，而且发热异常端子及发黑线鼻总是出现在下端，可见B相端子发热、对应线鼻发黑的情况可能性最大。这与油泵电机空开的散热布局有关。通过散热布局分析，油泵电机空开上端散热空间大，利于空气对流，散热效果更好。线槽内部接线本身就会散发热量，加上间距较小，不利于散热，且B相最为不利。

油泵空开上端有母排，每一个油泵空开是单独接线的，同时在盘柜下方有备用端子排，可以将同在一排的其他元器件移动到拆掉的备用端子排处。油泵空开的宽为5.5 cm, 如移动1个浪涌继电器，浪涌继电器上的接线长度都满足要求，可以实现6个油泵空开间隔1 cm, 和两边空开间隔0.5 cm。通过改造后温度数据趋势分析，可有效改善油泵空开散热效果。

3)空开换型。

通过根据操作形式、辅助触点类型、配线特性、额定电流、热磁脱扣曲线特性、热脱和设定范围、磁脱扣电流、安装尺寸等空开技术参数进行对比分析。确定一种替换性油泵空开，且优于原空开，以减少冷却器正常运行时油泵电源回路的发热量。

此外，为了保证油泵的供电可靠性，一般采取两路交流电源通过电源切换装置(ATS)供电。但是如果电源切换装置损坏，更换过程中需要停运两路交流电源。设计一种可移动的保障主变冷却器运行的动力电源箱，此电源箱不但结构紧凑方便移动，而且可以在更换电源切换装置、PLC故障、油泵空开故障等应急处理中，方便简单地保障冷却器的安全运行。

通过以上措施实施后，左右岸油泵空开温度未出现异常发热，油泵空开异常发热率控制到0%,满足预期控制目标，主变冷却器控制柜内的环境温度得到了显著改善，元器件发热问题得到有效控制。具体表现为：柜内温度明显降低，油泵电机回路发热端子温度大幅下降；电缆绝缘层及线芯老化问题得到缓解，短路风险降低；油泵电源空开烧毁故障率显著下降。这些变化不仅延长了设备的使用寿命，还提高了整个主变系统的运行稳定性与可靠性。

3、结语

针对大型地下式水电站主变冷却器控制柜散热问题，提出了增加散热通道、优化回路布置、元器件换型及设计可移动动力电源箱等关键技术措施。实际应用表明，这些措施有效解决了控制柜内高温发热问题，保障了主变系统的安全稳定运行。本文的研究成果不仅为同类水电站提供了有益的参考与借鉴，也为发电、变电等工况行业的设备散热问题提供了可借鉴的方法。

参考文献:

[1]童志祥,杨涛,黄泰山,等.变压器油循环水冷却器控制系统常见故障分析[J].水电与新能源,2021,35(5):76-78.

[2]李超,杜巍.水电站主变冷却器常见故障成因及处理[J].水电与新能源,2022,36(11):64-67.

[3]魏强,马超,陈芳,等.变压器风扇在不同转向下冷却器散热效果分析[J].宁夏电力,2013(6):31-33.

[4]梁颖辉.变压器冷却器空气开关频繁跳闸分析与处理[J].机电信息,2019(27):79-80.

[5]罗金嵩,高紫薇,孙悦.大型水电站主变冷却器控制模式改进[J].水电与新能源,2023,37(12):70-74.

[6]陈启萍.两起水电厂主变压器冷却器故障引起机组非停的分析与改进[J].水电与抽水蓄能,2020,6(6):117-120.

[7]贾辉,曹浩,刘希志.1000 MW核电机组主变高压套管介损与环境温度关系试验研究[J].华电技术.2020,42(2):68-71.

文章来源:杨海,黄福强,李圳培,等.大型地下式水电站主变冷却器控制柜散热问题分析及处理[J].水电与新能源,2024,38(11):45-48.